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鏈斗式卸船機(jī)是某鋼廠港口的重要設(shè)備，其功能為將駁船中的礦砂卸入料場。卸料小車在懸臂梁的軌道上行走。在長期重載作用下，懸臂梁的部分焊縫出現(xiàn)裂紋。為找出產(chǎn)生裂紋的原因，保證正常的生產(chǎn)，對該機(jī)懸臂梁的強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析。并根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果，提出了改造方案。
卸船機(jī)懸臂梁由結(jié)構(gòu)部分和正、反向平衡臺車，中部升降動滑輪組，配重平衡滑輪組，主梁上面的橫移小車軌道以及裝在主梁前后端部下表面作為水平接料皮帶機(jī)支承用的前后吊架等組成。選取懸臂梁結(jié)構(gòu)部分作為有限元計(jì)算模型，其余部分以約束或載荷施加在懸臂梁結(jié)構(gòu)上。
對懸臂梁進(jìn)行三維有限元分析時采用直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在上游懸臂梁靠立柱一端斷面中心。x坐標(biāo)沿懸臂梁水平方向指向外端，y坐標(biāo)鉛垂向上，z坐標(biāo)水平指向下游方向(圖1所示)。由于懸臂梁結(jié)構(gòu)屬于板和桁架結(jié)構(gòu)，承受著空間載荷，除了產(chǎn)生平面變形外，還產(chǎn)生連彎帶扭的復(fù)雜變形，應(yīng)采用板單元和桿單元。桁架采用桿單元，懸臂梁和聯(lián)接板采用板單元。懸臂梁的板單元厚度W=8mm，聯(lián)接板單元的厚度W=14mm。桁架主斜桿由兩根32#槽鋼組成，鉛垂平面的其余桿件由兩根20#槽鋼組成，斜面桁架其余桿件由兩根16#槽鋼組成，各桿橫斷面形狀皆為[]形。
整個懸臂梁通過三組滑輪吊掛在提升節(jié)點(diǎn)11(圖1)處，因此在該處三個節(jié)點(diǎn)設(shè)置y方向(鉛垂方向)約束。懸臂梁通過正向、反向兩個平衡臺車8、10可在立柱軌道上運(yùn)行，但在水平面的x、z兩個方向受到約束，故懸臂梁x=0端面各節(jié)點(diǎn)和反向平衡臺車處各節(jié)點(diǎn)設(shè)置x和z兩個方向的約束。在工作狀態(tài)下，懸臂梁受到結(jié)構(gòu)自重、接料皮帶機(jī)重量、取料小車鉛垂方向和水平方向載荷的聯(lián)合作用。其中，結(jié)構(gòu)自重以y方向體積力的形式作用于各單元；接料皮帶機(jī)重力98kN分別由上、下游懸臂梁的前、后吊架承受，每個吊架各承受24.5kN。這個載荷以y方向集中力的形式分別施加在懸臂梁相應(yīng)節(jié)點(diǎn)(4個吊架所在位置)上。
在卸船狀態(tài)下，懸臂梁受到結(jié)構(gòu)自重、接料皮帶機(jī)重量、取料小車鉛垂方向和水平方向載荷的聯(lián)合作用。為了分析各種載荷對懸臂梁應(yīng)力和變形的影響，在取料小車靜止地位于工作位置、只有水平載荷、卸船工作三種狀態(tài)下，分別對懸臂梁的應(yīng)力和變形進(jìn)行了計(jì)算。三種狀態(tài)的計(jì)算模型中，單元類型、單元劃分、約束條件完全相同，只是載荷不一樣。
從表1中可知，對懸臂梁本體應(yīng)力和水平方向變形影響最大的因素是水平方向載荷。隨著卸船作業(yè)率提高，駁船對料斗產(chǎn)生的水平方向載荷增加，該載荷通過取料小車車輪作用于懸臂梁，使懸臂梁的應(yīng)力和水平方向變形增大。而鉛垂方向載荷對懸臂梁本體應(yīng)力影響不大。從圖2、圖3可知，由于水平載荷指向上游方向，因此上游懸臂梁主腹板與上蓋板聯(lián)接處主要受拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為81.2MPa；下游懸臂梁輔助腹板與上蓋板聯(lián)接處主要受拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為85.6MPa；上游懸臂梁上蓋板內(nèi)側(cè)邊緣所受拉應(yīng)力最大，為116.2MPa。懸臂梁結(jié)構(gòu)主要由材料為Q235A的鋼板焊接而成。
由有限元計(jì)算可知，應(yīng)力最大部位處為上游懸臂梁上蓋板內(nèi)側(cè)邊緣，其值為116.2MPa，結(jié)合上式算得的值為131.9MPa，仍遠(yuǎn)小于Q235A的疲勞極限；焊縫最大應(yīng)力部位是下游懸臂梁輔助腹板與上蓋板聯(lián)接處的焊縫，最大主應(yīng)力達(dá)85.6MPa，通過上式計(jì)算后知，該處焊縫的最大主應(yīng)力為103.3MPa，已超過焊縫的疲勞極限。所以該處是整個結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。
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